خبير بجامعة هامبورغ يكشف لـ«العين الإخبارية» أسرار استخدام الطحالب كمصدر للوقود

مع تسارع أزمة المناخ، واقتراب الموعد الذي حددته الأمم المتحدة لتحقيق أهداف التنمية المستدامة الـ 17، يعمل العديد من العلماء والباحثون لإيجاد حلول طاقية نظيفة ومستدامة.

في الحوار التالي، نسرد تفاصيل "مدهشة" عن الوقود الحيوي المستخرج من الطحالب.

وتبرز الطحالب على رأس الحلول الواعدة لتلبية احتياجات العالم من الطاقة النظيفة المستدامة؛ خاصة وأنّ تلك الكائنات تمتلك العديد من المميزات التي ترشحها لتحصل على مقعدًا على طاولة مصادر الطاقة النظيفة الواعدة.

وفي هذا الصدد، أجرت العين الإخبارية حورًا حصريًا مع الدكتور "عبدالفتاح أبو مهرة"، بمعهد علوم النباتات والأحياء الدقيقة في جامعة هامبورغ بألمانيا؛ ليفتح لنا الباب لاستكشاف إمكانات الطحالب كمصدر واعد للطاقة الحيوية. ويُعد أبو مهرة من أبرز الباحثين المصريين المتخصصين في هذا المجال، ويمتلك -بحسب موقع اليونسكو- خبرة بحثية تمتد إلى 22 عامًا في مجالات عدة، وتتركز أبحاثه على توظيف الكائنات الحية الدقيقة كالطحالب في تطوير عمليات مستدامة لإنتاج منتجات ومواد خضراء.

وفي هذا الحوار، يأخذنا الدكتور عبدالفتاح أبو مهرة في رحلة حول تفاصيل إنتاج الوقود الحيوي من الطحالب وإمكاناته من خلال خبراته البحثية.

إليكم نص الحوار..

1- ما الذي يميز الوقود الحيوي المصنوع من الطحالب عن الأنواع النباتية الأخرى؟

الوقود الحيوي المصنوع من الطحالب يمتلك عدة مميزات مقارنة بالأنواع النباتية الأخرى. إليك بعض الاختلافات الرئيسية:

1. فائدة الأراضي

حيث أنّ إنتاج الوقود الحيوي من الطحالب لا يتطلب استخدام أراضي زراعية كبيرة. في حين يحتاج الوقود الحيوي المصنوع من النباتات الأخرى مساحات كبيرة من الأراضي الزراعية. هذا يعني أن الوقود الحيوي المصنوع من الطحالب يحافظ على استدامة الأراضي ويمكن تصنيعه دون التأثير السلبي على إمكانية توفير المواد الغذائية أو بمعني آخر لا يوجد منافسة بينه وبين غذاء الانسان.

2. محتوى الزيوت

في حال التركيز على وقود الديزل الحيوي؛ فإنّ محتوي الزيوت هو العامل الرئيسي لكفاءة الإنتاجية بمواصفات مقبولة. الطحالب تحتوي على نسبة عالية من الزيوت، والتي يمكن استخلاصها وتحويلها إلى وقود ديزل حيوي. بعض أنواع الطحالب يمكن أن تحتوي على نسبة تصل في بعض الطحالب إلى 50% من الزيوت، وهذا يعني أنها توفر محتوى زيوت أكبر من النباتات الأخرى المستخدمة في صناعة الوقود الحيوي. في دراسة لنا تم نشرها في دورية (Biomass and Bioenergy) عام 2014 من خلال زراعة الطحالب الدقيقة على نطاق واسع لإنتاج الديزل الحيوي توصلنا إلى أنّ الطحالب يمكنها إنتاج الديزل الحيوي أضعاف التي يمكن انتاجها من الزيوت النباتية.

3. الاستدامة

تعتبر الطحالب من أنواع الكائنات الحية التي يمكن زراعتها في مجموعة متنوعة من البيئات، بما في ذلك المياه المالحة والعذبة ومياه الصرف. وبالنسبة للأنظمة التي قد تستخدم في إنتاج الوقود الحيوي من الطحالب، فإنه يمكن تحويلها إلى نظم مغلقة تستخدم الطاقة الشمسية وثاني أكسيد الكربون العادم لتعزيز نمو الطحالب. بالإضافة إلى ذلك، فإنّ الطحالب تستهلك ثاني أكسيد الكربون خلال نموها وتعمل كمصدر للأكسجين، ما يساعد في إعادة تدوير الكربون وتقليل انبعاثات الغازات الدفيئة. وبالتالي، يمكن اعتبار الوقود الحيوي المصنوع من الطحالب خيارًا أكثر استدامة من حيث البيئة مقارنة بالوقود الحيوي المصنوع من النباتات الأخرى.

4. الإنتاجية

تتميز الطحالب بقدرتها على النمو بسرعة وكفاءة عالية مع محتوي عالٍ نسبيًا من الدهون -كما ذكرت سابقًا- وهذا يعني أنها يمكن أن توفر كميات كبيرة من المواد الخام لإنتاج الوقود الحيوي بمعدلات أعلى مقارنة بالنباتات الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، يمكن زراعة الطحالب في أماكن غير صالحة للزراعة، ما يزيد من إمكانية إنتاج الوقود الحيوي.

5. التنوع الحيوي

توجد العديد من سلالات الطحالب المختلفة، وكل سلالة أو نوع له تركيبة كيميائية فريدة. هذا يتيح إمكانية تحويل مجموعة متنوعة من الزيوت المستخرجة من الطحالب إلى وقود حيوي بمواصفات معينة، مثل الديزل والبنزين ووقود الطائرات الحيوي. وأيضًا يختلف تركيب الزيوت والكتلة الحيوية بناء على ظروف النمو للنوع الواحد، ما يتيح إمكانية تغيير مواصفات الوقود المنتج.

2- هل تكلفة الوقود الحيوي للطحالب الدقيقة عالية أم أقل تكلفة من الطرق الأخرى لصناعة الوقود الحيوي؟

على الرغم من المزايا التي ذكرتها، لا يزال الوقود الحيوي المصنوع من الطحالب يواجه بعض التحديات التقنية والاقتصادية في عملية التصنيع والتسويق. إلا أنه يُعتبر خيارًا واعدًا للحصول على وقود نظيف ومستدام في المستقبل. حاليًا، تكلفة الوقود الحيوي المصنوع من الطحالب أعلى من بعض الطرق الأخرى للوقود الحيوي المشتق من النباتات الأخرى. هذا يرجع جزئيًا إلى تحديات التقنيات وعمليات الإنتاج الأكثر تعقيدًا المرتبطة بالطحالب، بما في ذلك تكاليف الزراعة وحصاد الطحالب واستخلاص الزيوت منها.

ومع ذلك، من المتوقع أن تتراجع تكلفة الوقود الحيوي المصنوع من الطحالب مع تقدم التكنولوجيا والابتكار في عمليات الإنتاج. فعلى سبيل المثال، قد يتم تطوير طرق أكثر كفاءة وفعالية لزراعة الطحالب وحصادها باستخدام بعض المخلفات، ما يقلل من تكاليف الإنتاج. كذلك من الممكن اتباع بعض المسارات لرفع كفاءة تحويل الكتلة الحيوية مثل استخلاص مركبات ذات قيمة اقتصادية عالية من الطحالب مثل المواد المضادة للأكسده أو البروتينات قبل تحويل الكتلة الحيوية إلى وقود حيوي، ما يرفع من كفاءتها الاقتصادية. من ناحية أخري فإن الارتفاع المتزايد في تكلفة الوقود الأحفوري وإتاحته المحدودة يجعل الطحالب مصدرًا واعدًا للوقود الحيوي. عمومًا، مع تطور التكنولوجيا وزيادة حجم الإنتاج مع ارتفاع تكلفة الوقود الاحفوري، من المتوقع أن يتحسن تنافسية تكلفة الوقود الحيوي المصنوع من الطحالب ويصبح أكثر اقتصادية في المستقبل.

3- باختصار، كيف تتم معالجة الكتلة الحيوية للطحالب من أجل انتاج الوقود الحيوي؟

هناك العديد من أنواع الوقود الحيوي التي يمكن إنتاجها من الطحالب مثل الديزل الحيوي، الزيت الخام، الغاز الحيوي، الايثانول الحيوي، وغيرها. وتشمل عملية معالجة الكتلة الحيوية للطحالب بهدف إنتاج الوقود الحيوي عدة خطوات والتي تختلف نسبيًا بناءً على نوع الوقود المستهدف. في حالة إنتاج وقود الديزل الحيوي على سبيل المثال، فإنّ الخطوات الرئيسية تشمل الاتي:

1. زراعة الطحالب

تتطلب هذه الخطوة توفير بيئة مناسبة لنمو الطحالب، سواء في برك مفتوحة أو في مفاعلات حيوية مغلقة. لكن عامةً، لابد من توفير الإضاءة والحرارة المناسبة وكذلك المغذيات اللازمة لتحفيز نمو الطحالب.

2. حصاد الطحالب

بعد النمو الكافي ووصول النمو الى أعلى معدل، يتم جمع الطحالب عن طريق فصلها من الماء أو الوسط الغذائي وذلك باستخدام وسائل تكنولوجية عديدة مثل المصافي أو أنظمة الترشيح أو التخثر سواء كان بيولوجيا او كيميائيا، بالإضافة الى طرق أخري.

3. استخلاص الزيوت

المحتوي الدهني للطحالب يمثل المكون الرئيسي لوقود الديزل الحيوي. يتم استخلاص هذه الزيوت باستخدام تقنيات مختلفة على سبيل المثال باستخدام المذيبات العضوية. هذه العملية تهدف إلى فصل الزيوت من الكتلة الحيوية وتجميعها لتحويلها كيميائيا الى ديزل في الخطوة التالية.

4. تحويل الزيوت إلى ديزل حيوي

يتم تحويل الزيوت المستخرجة من الطحالب إلى وقود الديزل الحيوي من خلال عمليات متعددة مثل التكرير الحيوي أو التحويل الكيميائي أو التحول الحراري. هذه العمليات تقوم بتحويل الزيوت إلى مركبات قابلة للاحتراق مثل الديزل أو البنزين أو وقود الطائرات.

5. تكرير وتنقية الوقود الحيوي

بعد عملية التحويل، يتم تكرير الوقود الحيوي الناتج لإزالة الملوثات والشوائب وتحسين جودته. وتُستخدم تقنيات التكرير المشابهة لتلك المستخدمة في صناعة الوقود الأحفوري، مثل التقطير والتكرير وتقنيات الكراكنج والهدرجة. خلال هذه العملية، يتم تنقية وتطوير الوقود الحيوي الناتج للحصول على منتج نهائي بجودة عالية ومطابق للمعايير القياسية للوقود. يتم أيضًا إجراء اختبارات وتحليلات لضمان تكوين الوقود وجودته وأدائه المطلوب. هذه العملية تعتمد بصورة كبيرة على الهدف النهائي من استخدام الوقود. بعد عملية التكرير والتنقية، يكون الوقود الحيوي المصنوع من الطحالب جاهزًا للاستخدام في مختلف التطبيقات التي تستدعي استخدام الوقود، مثل وسائل النقل وتوليد الطاقة.

4- كعالِم متخصص في هذا الصدد منذ سنوات، هل ترى أنّ الوقود الحيوي المصنع من الطحالب قادر على سد حاجتنا من الوقود يومًا ما؟

بالطبع، الوقود الحيوي المصنوع من الطحالب يعتبر واحدًا من الخيارات المستدامة والمحتملة لتلبية احتياجاتنا من الوقود في المستقبل. ومع ذلك، هناك عدة عوامل يجب مراعاتها عند التفكير في إمكانية سد الحاجة الكاملة للوقود باستخدام الطحالب، على سبيل المثال:

1. كفاءة الإنتاج

تحتاج صناعة الوقود الحيوي من الطحالب إلى تقنيات وعمليات تصنيع متقدمة لضمان كفاءة الإنتاج. يجب تحسين عمليات زراعة وحصاد الطحالب وكذلك استخلاص الزيوت وتحويلها إلى وقود بكفاءة أعلى لتحقيق مستوى عالٍ من الإنتاجية.

2. المقياس

يجب زيادة مقياس أو نطاق إنتاج الطحالب وتكبير حجم الإنتاج لتلبية الطلب على الوقود. يتطلب ذلك تطوير تقنيات الزراعة والاستخلاص والتحويل لتحقيق مستويات إنتاجية كبيرة بشكل اقتصادي.

3. استدامة الموارد

ينبغي أن يتم تطوير استراتيجيات لزراعة الطحالب بشكل مستدام بالتقليل من استخدام المواد الكيميائية عن طريق استخدام بعض المخلفات كبديل وذلك لضمان الحفاظ على الموارد البيئية والتنوع البيولوجي. لذلك يجب العمل على تقنيات الزراعة المستدامة وإدارة الموارد بعناية لضمان استدامة هذه الصناعة.

4. التوافر الجغرافي

تعتمد زراعة الطحالب على وجود مناطق مناسبة مثل المسطحات المائية والبحار أو أنظمة مغلقة لزراعة الطحالب. يجب تحديد المناطق المناسبة وتوفير البنية التحتية الملائمة لزراعة الطحالب.

5. التنوع في الإنتاج

لا يجب النظر إلى الكتلة الحيوية من الطحالب على أنها مصدر للوقود الحيوي فقط، ولكن لابد من الأخذ في الاعتبار أنها مصدر للعديد من المنتجات الأخرى، والتي قد تكون أكثر أهمية من الوقود في حد ذاته. لذلك اتباع نظام المصفاة الحيوية لاستخلاص كل ما يمكن إنتاجه من الكتلة الحيوية أمر هام للغاية والذى ينتج عنه زيادة الكفاءة الإنتاجية للطحالب وكذلك رفع القيمة الاقتصادية لها.

إجمالًا، الوقود الحيوي المصنوع من الطحالب لديه القدرة على المساهمة في سد حاجتنا المستقبلية من الوقود، لكن لا يزال هناك تحديات كبيره يجب أخذها في الاعتبار من أجل تطوير هذه الصناعة

5- حدثني قليلًا عن الوقود الحيوي للطائرات

الوقود الحيوي للطائرات يشير إلى الوقود الذي يستخدم في تشغيل محركات الطائرات والمشتق من مصادر حيوية متجددة بدلاً من الوقود الأحفوري التقليدي مثل البنزين أو الديزل. يهدف استخدام الوقود الحيوي في الطيران إلى تقليل الانبعاثات الكربونية وتحسين استدامة الصناعة الجوية. حاليًا، تتواجد بالفعل عدة أنواع من الوقود الحيوي المستخدمة في الطيران، ومن بينها البيوكيروسين، البيوديزل والإيثانول الحيوي. تُستخدم هذه الأنواع من الوقود الحيوي في تركيبة مختلفة مع الوقود

الأحفوري العادي لتشغيل محركات الطائرات. يتم اعتماد معايير ومواصفات صارمة للوقود الحيوي المستخدم في الطيران لضمان الأداء الآمن والموثوق به في الظروف الجوية المختلفة. حاليا يتم مناقشة الطحالب أيضًا كمصدر واعد لإنتاج وقود الطائرات وذلك للميزات التي ذكرتها سابقًا.

6- ما هي أفضل أنواع الطحالب، حتى الآن، لتصنيع الوقود الحيوي؟

هناك العديد من أنواع الطحالب التي تمت دراستها لتصنيع الوقود الحيوي، وتعتبر بعضها أكثر فعالية وإنتاجية من البعض الآخر. ومع ذلك، لا يزال هناك الكثير من الأبحاث والتطوير في هذا المجال، وقد تظهر أنواع جديدة في المستقبل. على سبيل المثال فقد تمكن فريقي البحثي في جامعة شندو بالصين الى عزل نوع جديد من الطحالب والذي تم تسميته (Didymogenes chengda)، نسبة الى مكان عزله. هذا الطحلب يحتوي على نسبة عالية من الدهون تصل الى 46.3% من الوزن الجاف مع القدرة على النمو بمعدل عالي على مياه الصرف، وتم الحصول على براءة اختراع رقم (CN114164115B ) من الهيئة القومية لبراءات الاختراع بالصين.

بالإضافة إلى ذلك، هناك العديد من الطحالب الشائعة التي تم اثبات كفاءتها في إنتاج الوقود الحيوي مثل: (Scenedesmus obliquus) و(Chlorella vulgaris) و(Botryococcus braunii) و(Nannochloropsis sp). وتجدر الإشارة إلى أنّ الاختيار المناسب للطحالب يعتمد على عدة عوامل مثل الوقود المستهدف ومحتوى الزيوت الدهنية وسرعة النمو ومتطلبات الزراعة والتكنولوجيا المتاحة للاستخلاص والتحويل.

7- كيف يؤثر انتقالنا للوقود الحيوي من الطحالب على الاحترار العالمي؟

الانتقال لاستخدام الوقود الحيوي عامة والمستخرج من الطحالب خاصة يمكن أن يساهم في تخفيف حدة التغيرات المناخية، والحد من ارتفاع درجات الحرارة العالمية. هنا بعض الطرق التي يمكن أن يؤثر بها الوقود الحيوي من الطحالب على التغير المناخي:

1. انبعاثات الغازات الدفيئة المنخفضة

الوقود الحيوي عامة يصنع عادةً من مصادر حيوية متجددة، ما يعني أنه يحتوي على كميات أقل من الكربون المحبوس في الدورة الطبيعية للكربون. هذا يقلل من ارتفاع مستويات غازات الاحتباس الحراري ويقلل من تأثيرها على احترار الكوكب.

2. استخدام المحصولات الزراعية غير المنافسة

يمكن زراعة الطحالب في المسطحات المائية أو في مناطق غير صالحة لزراعة المحاصيل الزراعية الأخرى. بالتالي، فإنّ استخدام الطحالب لإنتاج الوقود الحيوي لا يتنافس مع الأغذية والمحاصيل الزراعية الأخرى، وبالتالي لا يسبب زيادة في استخدام الأراضي الزراعية ولا يؤدي إلى تدهور البيئة الزراعية.

3. تخزين الكربون

تنمو الطحالب عن طريق امتصاص ثاني أكسيد الكربون من الجو أثناء عملية التمثيل الضوئي. يمكن استخدام الطحالب لإزالة الكربون من الجو وتخزينه في أنظمة الزراعة المائية، ما يعزز قدرتها على التصدي للاحتباس الحراري. أيضًا يمكن استخدام هذه الطحالب لتنقية وتحسين جودة المياه في المسطحات المائية، مثل البحيرات والمستنقعات، وفي نفس الوقت تقوم بامتصاص الكربون وتخزينه في نسيجها الخلوي. هذا الكربون يظل مخزنًا في الطحالب حتى يتم استخدامه في الوقود الحيوي.

بالتالي، يساهم استخدام الوقود الحيوي من الطحالب في امتصاص وتخزين ثاني أكسيد الكربون بطريقة بيولوجية صديقة للبيئة. من المهم أيضًا الإشارة إلى أن استخدام الوقود الحيوي من الطحالب لا ينفي الحاجة إلى تبني استراتيجيات أخرى للتخفيف من آثار التغير المناخي. إنه جزء من مجموعة من الحلول المتعددة التي يجب اعتمادها للحد من انبعاثات الكربون والاعتماد على مصادر الطاقة المتجددة النظيفة.

8- هل يمكن أن تُعطينا لمحة تاريخية عن بدء توظيف الطحالب في صنع الوقود؟

استخدام الطحالب في صناعة الوقود الحيوي يعود إلى العقود الأولى من القرن العشرين. في عام 1942، خلال الحرب العالمية الثانية، بدأت الولايات المتحدة في استخدام الطحالب لإنتاج الوقود الحيوي. في السنوات اللاحقة، توسع استخدام الطحالب في صناعة الوقود الحيوي وأجريت العديد من الأبحاث والتطوير لتحسين عمليات الاستخلاص والتحويل.

في عام 1978، أُسست شركة (Aquaflow Bionomic Corporation) في نيوزيلندا، وهي الشركة الأولى التي نجحت في استخراج الزيت الحيوي من الطحالب بكميات تجارية إلا أن التكلفة لا زالت مرتفعة مقارنة بالزيوت النباتية. منذ ذلك الحين، استمر البحث والتطوير في مجال استخدام الطحالب في صناعة الوقود الحيوي، وظهرت تقنيات جديدة لزيادة كفاءة إنتاج الزيوت الحيوية من الطحالب. وتتواصل الجهود لاستخدام الطحالب كمصدر مستدام وفعال للوقود الحيوي، وذلك بهدف الحد من الاعتماد على الوقود الأحفوري وتقليل الانبعاثات الضارة للغازات الدفيئة.

في الختام أنتهز هذه الفرصة لدعوة الشركات في الدول العربية الى الاستثمار في هذا المجال وأن يكون لنا السبق في ذلك حيث نمتلك جميع المقومات الطبيعية لإنتاج الطحالب على نطاق واسع والتي قد تساهم في حل كثير من المشكلات في الشرق الأوسط.